国产大飞机C919中的有色元素

发表时间:2016-06-13 21:04:04 点击次数: 编辑人: 网上看校

     2015年11月2日上午10时,中国自主研制的首款新一代喷气式干线客机C919在上海总装下线。C919正式向全球公开亮相,让为之成功提供多种金属材料的有色人备感振奋。

  飞机下线的当日下午两点,记者收到了材料科学家、钛合金专家、中国科学院院士曹春晓发来的C919大飞机下线视频,现场十分壮观,飞机缓缓滑行,五星红旗飘扬,场面非常震憾。为记录C919大飞机精彩时刻,记者随即电话采访了曹院士。

  曹院士说,我国首架C919大飞机下线具有里程碑式的重要意义,是2016年试航的重要时间节点,标志着我国航空工业迈上了一个新的高度,标志着我国高端制造工业迈上了崭新的台阶,航空强国的梦想又前进了一大步。C919大飞机下线这个阶段性成果说明航空人及各行各业倾力科研、倾力支持的巨大努力是富有成效的。为大飞机提供多种金属材料的有色行业更是功不可没。

  一代材料 一代飞机

  没有材料做不成飞机,发展大飞机,材料必须先行,发展飞机材料会带动其他行业的发展。曹春晓说:“航空材料的研发不仅需要航空系统,更需要有色、冶金等系统搞材料的单位共同参与。”

  已故两院院士师昌绪先生在2007年6月18日“大飞机与新材料”的高层次沙龙上提出材料界要加快大飞机材料的开发。他说:“没有材料是做不成飞机的,材料占飞机质量的69%,发展大飞机,材料要先行,而发展飞机材料本身也会带动其他行业的发展,我们要借这次沙龙活动为支持国家大飞机的发展做一些探讨,出一些预研课题。”

  C919大飞机从2007年立项起步实施以来,铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、碳纤维复合材料等的研制与推进跃上了一个全新的台阶。举全国之力,聚全球之智,打造民机产业共同体的大飞机行动在产业互动中进行。几年前,记者采写《抢占航空制造业的制高点》时采访了曹春晓院士。曹春晓说,“一代材料,一代飞机”是航空工业发展的生动写照。从1903年莱特兄弟驾驶的第一架飞机是用木头和布做成的到金属材料成为机体航空材料的主流。从铝合金为主到钛合金已成为飞机的主要材料,每一次材料的交替与更新都是飞机发展的一次革命。我国大飞机专项的关键技术包括发动机、材料和电子设备等三项。其实,发动机和电子设备的发展基础依然是材料,即高温合金材料和电子、微电子材料等,凸显航空材料在飞机、发动机发展中的关键作用。如今,复合材料在飞机、发动机结构材料家族中成为一位新成员,这就是碳纤维。碳纤维比铝还要轻,比钢还要硬,其比重是铁的四分之一,强度是铁的十倍,化学组成非常稳定,具有高抗腐蚀性,适用于航空和航天飞行器。

  C919大型客机是建设创新型国家的标志性工程,具有完全自主知识产权。先进材料首次在国产民机中大规模应用。第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。由此可见,随着我国航空工业的发展,各行各业相互融合,军民共建,工业制造逐步步入高端制造行业,铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维复合材料等各种新型轻量合金材料的涌现,在交相辉映中自然助力C919大飞机的顺利制造。

  世界最好的铝合金材料

  为C919穿上漂亮“衣裳”

  CCTV记者的现场报道以及曹春晓院士发来的照片、视频中感觉得到C919的“颜值”相当高,视觉冲击力很强。C919到底穿了件什么样的衣裳会这么漂亮?

  曾两度担任高性能铝合金材料国家973项目首席科学家的中南大学材料科学与工程学院教授张新明说,C919是目前采用先进金属材料最多的一种机型,所采用的全部是世界上最好的铝合金。

  国家973项目“航空高性能铝合金材料的基础研究”重要成员、中南大学材料学院教授邓运来介绍,作为我国首次自主生产的大型客机,材料的选择直接决定了其自身的特点。C919的“机壳”全部由我国自主设计、制造。“机壳”中铝合金材料约占材料总重量的70%。为了减轻自重、降低油耗,飞机的重量会精确到克,C919实现比B737、A320等同类机型轻5%~10%的目标,这得益于铝锂合金。锂元素虽然只占铝合金重量的2%左右,但在同等承载条件下,比常规铝合金减轻重量5%以上。

  “铝合金材料既要高强度,又要高韧性,还要抗疲劳、耐损伤、耐腐蚀,这是一个非常复杂的矛盾统一。”张新明说,“目前,国内围绕大飞机金属材料的研究已经获得了大约200多项专利,比如强度和韧性、耐腐蚀常常是矛盾的,我们要同时达到,并且让它们保持稳定,就要不断研究,这就是金属材料的魅力所在。”

  C919所采用的机翼,是中国人首次自主研制,也是世界民航领域目前流行的先进设计,它有一个很酷的名字,叫做超临界机翼。这种机翼采用的也是铝锂合金材料,它可以使飞机更加轻巧,在音速范围以内实现尽可能快的飞行。

  “西南铝造”撑起国产大飞机骨架

  作为中铝公司旗下的核心铝加工企业,西南铝50年来风雨征程已发展成为我国综合实力最强的特大型铝加工企业,是我国航空航天和国防军工材料研发和保障、高精尖铝材研发生产和出口“核心基地”。

  “在国家大力推进航空铝材国产化的背景下,充分发挥航空航天材料研发和保障的‘核心基地’作用,不断增强航空国产材料自主化保障能力,既是满足国家需求的使命担当,也是企业顺应政策导向、尊重市场,促进自身发展的必然选择。”西南铝总经理张吉龙表示。

  航空铝材的“领跑者”

  早在10年前,西南铝就积极响应国家号召,开始着手建设一条为大飞机项目配套的铝合金厚板生产线。在国产大飞机上使用自己生产的铝合金材料,是西南铝人执着而又坚定的梦想。

  2011年11月11日,在西南铝50年发展历程中具有里程碑的意义:我国第一条与国家“大飞机”等项目配套的铝合金厚板生产线在西南铝建成投产,使我国成为继美国、日本、德国和俄罗斯之后,又一个能够实现铝合金厚板规模化生产的国家。这条生产线的建成投产,实现了几代铝加工人的夙愿,对于进一步提升我国铝加工业的整体发展水平,提高我国国防建设和航空航天急需铝合金材料的保障能力,助推我国“大飞机”建设具有极其重要的意义。

  厚板生产线建成投产,让西南铝成为国内航空铝材研发的“领跑者”,为了这一步,西南铝付出了艰辛的努力。作为应国家需求而生的铝加工企业,自开工建设以来,西南铝不断增强自主创新建设能力,突破多项关键技术,己为我国数十项航空航天、国防军工和国家重点建设项目提供了上千个品种、数十万吨优质铝材,填补了多项国内空白。“九五”至今,西南铝先后承担了近20余项航空材料研制项目,开发了2XXX系、7XXX系等合金的新技术、新产品,形成了一系列具有自主知识产权的科技成果。西南铝研发的一批工业化条件下板材、型材、锻件的新材料、新技术,有效满足了我国大中型飞机、大推力火箭等装备发展的需要,基本实现了我国航空航天材料自主保障。

  近年来,西南铝解决了一系列重大关键技术难题,开发出一大批市场急需、代表国际国内先进水平、填补国内空白的新产品和新技术,成为我国铝加工技术进步和行业发展的一面旗帜。1987年和1992年,西南铝国内首家获得美国波音公司精密航空模锻件、锻坯生产许可证铜牌;2014年,西南铝成功实现向法国空中客车供货;2010年8月,西南铝成为赛峰公司供应商;2013年1月,成为庞巴迪公司战略合作伙伴。在保障国家航空铝材需求的同时,西南铝眼睛开始瞄向民用航空市场。目前,西南铝将与中国商飞联合开展航空用铝合金、铝锂合金的研制。

  自主创新应万变

  十年磨一剑,西南铝在航空航天铝材的保障能力建设及先进航空铝材的研发上取得了显著成效,但西南铝并不满足于短暂的领跑,而是瞄准国外先进铝加工企业,开始了新一轮奔跑。

  “铝材研制及加工技术在一定程度上决定着一个国家的航空航天产业发展水平。航空用铝材通常综合性能要求高、生产工序流程长,现有的技术管理模式已难以适应航空用户单位对产品工艺过程质量控制的精细化要求。且由于先进航空材料产品正处于国产化的初期阶段,与国外先进铝加工企业相比,我们的竞争力不强是不争的事实。”西南铝总工程师黎勇分析。

  航空产品通常存在订货品种多、数量少、生产组批困难、产品成品率低、稳定性差等问题,严重影响了客户使用国产航空材料的积极性。为提升航空航天急需铝合金材料的保障能力,在航空领域抢占先机,西南铝着力构建自主创新的材料体系和装备技术体系,成立了航空材料基础特性研究团队、铝锂合金开发团队,有针对性地解决材料研发中的难题,进一步提升企业新材料研发水平。

  特大型弧形模锻件的成功研制是西南铝实施自主创新的成功范例。该模锻件是航空器的关键模锻件,厚度薄、弧度大、易变形,对模锻工艺要求很高,是高技术含量、高附加值的产品,此前由于国外技术封锁,西南铝一直不能生产。为突破这一技术难关,西南铝成立专门的攻关小组,大胆实施技术创新,通过采取制作专用工具、更新优化生产工艺等措施,成功解决了一系列难题,刷新了我国模锻件生产史上最长、最重、投影面积最大的历史纪录,填补了国内空白。

  一次次的自主创新,使现在的西南铝已具备第三代航空铝合金的保障能力,成为我国航空航天工业材料的主要供应商。

  顺应发展赢未来

  紧跟国家航空材料研发步伐,西南铝与中国航空制造业早己成为密不可分的共同体。

  “生产大型商用飞机、实现航空铝材自主供给是落实《中国制造2025》战略、打造中国高端制造新优势的战略选择。”2015年9月,工信部在上海组织召开民机铝材上下游合作机制第一次工作会议,鼓励民机铝材研制、生产,并将就难点问题积极协调解决和反映。对参会方之一的西南铝而言,推进政策无疑是材料研制路上的一大“利好”,是材料研制工作的重要导向。

  “随着首款C919 11月2日总装下线以及支线客机ARJ21的推广加速,我国对航空铝材的需求将进入一个高速增长期。”张吉龙说,“对西南铝而言,在国家大力推进航空铝材国产化进程中,既是面临着发展新机遇,也面临着材料研制工作的新挑战。”

  其实早在2008年7月,我国大飞机项目启动之初,西南铝就开始参与由中国商飞带动的材料研制工作。协助编写了商飞工艺控制(PCD)文件;完成了商飞根据适航要求对西南铝进行的质量体系审查认证。国产大飞机C919项目实行全球采购,西南铝为首款C919提供了30个规格的锻件。目前西南铝生产的锻件已实现向商飞批量供货,并与商飞建立了从新材料研发到商业合作全方位的合作关系,已具备为民用航空提供铝合金材料的能力。

  未来,随着航空航天用铝材朝高强高韧、耐损伤、抗疲劳、低密度化、可焊接、较强热稳定性等方向发展,为满足航空材料性能要求,西南铝将紧跟新型铝合金材料需求的步伐,在提升铝材质量管理水平、材料稳定性及保供能力上下功夫。在可期的将来,在我国大力推进航空铝材完全自主供应,从“制造大国”走向“制造强国”的征程中,西南铝必将大有可为。

  宝钛集团:航空钛材的探索者

  在我国刚刚下线的C919大飞机上,钛合金用量达9.3%,其钛金属复合材料由宝钛集团有限公司研制。

  宝钛集团有限公司自C919大飞机项目启动以来,已先后承担了国家Ti-3Al-2.5V(TA18)管材、β热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β处理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四个DK型号用材料研制任务,并充分发挥自身产品质量、交货期、价格等优势,通过国际招标采购,达到了C919大飞机对其所用材料质量等严格条件,成为中国商飞公司国内钛材料的合格供应商,为此次正式下线的C919首架机上陆续提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料。

  这也是宝钛集团公司继今年9月刚刚完成攻克钛合金加工制造多项关键技术,填补国内钛合金研究多项空白,“4500米载人潜水器电子束焊接载人球壳”出厂后,又在C919大飞机上有了“钛”好探索。

  据悉,复合材料和钛合金材料的应用,有效降低了大型客机重量,提升了飞机的经济性,这是未来航空领域新材料应用的方向。国内大飞机项目带动了高端制造产业发展趋势,钛这种轻型合金应用必然会缩小与国外的差距。

  在国产大飞机的研制中,钛合金复合材料的大吨位锻制成型一直以来是制约飞机发展的技术瓶颈,由于钛合金的密度比钢小得多,而强度又和钢很接近,因此,它可以大大减轻飞机及其发动机的重量。中国科学院院士曹春晓说,国产大飞机C919的结构轻量化和与之相关的“低油耗”是目前航空制造领域的竞争焦点之一。油耗多少直接体现了飞机及其发动机服役寿命期的经济性和环保性的优劣。美国波音787飞机在2007年的研制过程中曾投入3亿美元研究使用钛合金取代铝合金,以解决超重问题。波音787机体钛合金用量达15%,创下民用客机机体钛合金用量最高纪录。而俄罗斯正在研制的新一代150座级的客机MS-21机体钛合金用量高达25%。我国一些飞机机体结构中的钛合金用量也在不断提高,商用客机ARJ21的钛合金用量为4.8%,而C919客机用钛量已达到9.3%,和波音777相比略高,波音777为8%。

  中国工程院院士刘大响说,航空发动机性能的提高,在很大程度上是通过采用新结构、新材料和新工艺来实现的。现代先进航空发动机性能、可靠性和推重比的提高,材料和制造技术的贡献率约占50%~60%。大飞机结构轻量化的刚性需求,使航空应用领域越来越离不开钛。宝钛股份为此,积极参与C919大飞机的材料研制,填补了钛复合材料装备在飞机领域“中国智造”的空白。

  在C919大飞机项目研制期间,宝钛集团按照适航性认证要求,通过不懈攻关、工艺优化、质量改进等措施,成熟产品不断完善,新产品已初具规模。后期将继续发挥产业优势,攻坚克难,加快研制进度,尽快使所研制产品得到装机应用,为C919大飞机扩大钛材用量提供技术支撑和材料保障,为国内航空事业的发展和尽快实现钛合金材料国产化做出贡献。

  目前,宝钛股份正在进行3D打印技术攻关试验制造航空发动机方面的探索。

  编后:

  梦想照亮现实

  C919来了!高端制造你准备好了吗?

  记者与充满青春活力的材料科学家、钛合金专家、中国科学院院士81岁高龄的曹春晓通电话时,我能够从话筒中感受到曹老的激动心情,从感知曹老的激动能够看到一代代航空人的“梦想照亮了现实”。相信C919闪亮登场的那一瞬间,航空人自豪!中国人骄傲!在波音、空客独占民航市场多年的基础上增加了中国的“商飞”,这是一个逐步迈入高端制造业的标志。

  自豪之余,激动之后,需要冷静下来思考。在拥有自主知识产权研发C919大飞机时,自身与波音、空客有哪些差距,比如发动机落后于别人,怎么去引进、消化、吸收、完善、创新自己,从而真正具备与波音、空客竞争的水平。同时,国内企业在争抢、分享未来C919大飞机万亿元的蛋糕时,需要冷静清醒的知道,只有以科学技术打基础,专注于高端材料领域搏市场,才能分享到C919带来的万亿元市场份额。

  一个大飞机项目直接带动600家企业,间接带动2500家企业的市场互动、经济互动、机遇潜存。但C919已经用事实告诉我们,只有步入高端才会拥有大飞机带来的经济共享,效益双赢。

  举全国之力,聚全球之智,这是对C919大飞机的要求,也是要求每个企业要以“高端大气上档次”为目标,在材料产业链条高端抢占一席之地,以新材料引领,使有色金属飞得更高、飞得更远。从而让发展跟上“中国智造”的步伐。

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